压力容器设计内压薄壁容器圆筒强度设计

1、1 第三节 内压薄壁圆筒的强度设计 教学重点： 内压薄壁圆筒的厚度计算 教学难点： 厚度的概念和设计参数的确定 2 根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下 的主应力 根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力 的强度判据 对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影 响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系 数 根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体 的计算公式。 内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程 3 容器上一处的最大应力达到材料在设计 温度下的屈服点，容器即告失效( (失去正常 的工作能力) )，也就是说，容器的每一部分 必须处于弹性变形范围内。 保证器壁内的相当应

2、力必须小于材料由单 向拉伸时测得的屈服点。 一、强度设计的基本知识 （一）、关于弹性失效的设计准则 1、弹性失效理论 s 当当 4 为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安 全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应 力之间满足一定的关系，即 n 0 当 = 0 当 n 相当应力，MPa，可由强度理论 确定 极限应力，MPa，可由简单拉伸 试验确定 安全裕 度 许用应力, ,MPa 2、强度安全条件 5 4 2 pD m 2 1 pD 0 3 r 径向应 力 （二）、强度理论及其相应的强度条件 1、薄壁压力容器的应力状态 图4-1 应力状态 6 第一强度 理论 （最大主应力理论） 第三强

3、度 理论 （最大剪应力理论） 2 1 pD I 当 强度条 件 2 pD I 当 2 31 pD III 当 强度条 件 2 pD III 当 适用于 脆性材料 适用于 塑性材料 2、常用强度理论 7 第四强度 理论 （能量理论） 2.3 2 1 )()()( 2 1 21 2 2 2 1 2 13 2 32 2 21 pD IV 当 强度条 件 3 . 2 pD IV 当 适用于 塑性材料 第二强度理论（最大变形理论）与实际相差较大，目前很少采用。 压力容器材料都是塑性材料，应采用三、四强度理论， GB150-98 采用第三强度理论. 8 2 pD III 当 t pD 2 i DD 考虑实

4、际情况， 引入pc等参数 c t ic p Dp 2 2 2 C p Dp c t ic d 考虑介质 腐蚀性 考虑钢板厚度 负偏差并圆整 n 二、内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计 （一）、强度设计公式 1、内压薄壁圆筒 9 参数变换： 1.将中径换算为圆筒内径，D=Di+S; 2.压力换为计算压力Pc ； 3.考虑到焊缝处因气孔、夹渣等缺陷以及热影 响区晶粒粗大等造成的强度削弱，引进焊缝系 数(1)； 4.材料的许用应力与设计温度有关。 10 内压圆筒强度计算公式： 36 2 ci t c p D S (mm) () p 再考虑腐蚀裕量C2 ,于是得到圆筒的设计壁厚为： 2 36 2 ci

5、dt c p D SC (mm) (a) p 计算壁厚公式： 11 在公式（36a）基础上，考虑到钢板的负偏差 C1（钢板在轧制时产生了偏差） 名义壁厚公式： 21 2 ci n t c pD SCC (mm) p 再根据钢板标准规格向上圆整。 Sn最终名义厚度。 这是写在图纸上的钢板厚度！ 12 强度校核公式 最大允许工作压力计算公式 22 (38) tt ne w inie C p DCD t () (37) 2 t cie e pD 1、当筒体采用无缝钢管时，应将式 中的Di换为D0 2、以上公式的适用范围为 3、用第四强度理论计算结果相差不 大 t c p 4 . 0 13 4 21

6、pD c t ic p Dp 4 2 4 C p Dp c t ic d 4 )( t e eic t Dp ei e t w D p 4 公式的适用范围为 t c p 6 . 0 2、内压球形壳体 14 工作压力 指在正常工作情况下，容器顶部 可能达到的最高压力。 设计压力 指设定的容器顶部的最高压力， 它与相应设计温度一起作为设计 载荷条件，其值不低于工作压力 。 计算压力 指在相应设计温度下，用以确定 壳体各部位厚度的压力，其中包 括液柱静压力。 计算压力pc=设计压力p+液柱静 压力 （二）、设计参数的确定 1、压力 15 工作压力pw -正常工作情况下，容 器顶部可能达到的最高 压力

7、。 由工艺计算确定： 化学反应所要求的； 传递过程所必需的； 由液化气体的饱和蒸 汽压所决定的。 16 设计压力p：设定的容器顶部的最高压力-设计载荷。 取值方法： （1）容器上装有安全阀 取不低于安全阀开启压力 ： p （1.05 1.1）pw 系数取决于弹簧起跳压力 。 17 （2）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时： 取 设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。 P44 表3-1。 防爆膜装置示意图 18 （3）无安全泄放装置取 p=（1.01.1）pw 。 （4）盛装液化气容器 设计压力应根据工作条件下 可能达到的最高金属温度确定。（地面安装的容器按 不低于最高饱和蒸汽压考虑，如4

8、0，50，60时 的气体压力）。 注意：要考虑实际工作环境，如放置地区，保 温，遮阳，喷水等。 例如：液氨储罐。金属壁温最高工作为50，氨的饱 和蒸汽压为2.07MPa。 1.容器的设计压力？ 2.若容器安放有安全阀，设计压力？ 19 （5）外压容器取 p正常操作下可能产生的 最大压差。 注意：“正常操作”含空料，真空检漏 ，稳定生产，中间停车等情况。 （6）真空容器 不设安全阀时，取0.1MPa ； 设有安全阀时 取Min（1.25p ,0.1MPa) 。 20 釜壁可能承受压力情况： 釜内空料，夹套内充蒸汽-外压0.2MPa; 釜内真空，夹套内充蒸汽-外压0.3MPa; 釜内0.3MPa，

9、夹套内0.2MPa-内压0.1MPa; 釜内0.3MPa，夹套内空料-内压0.3MPa; 釜壁承受的最大压差:内压0.3MPa或外压0.3MPa. （7）带夹套容器取正常操作时可 能出现的最大内外压差。例如 带夹套 的反应釜：夹套内蒸汽压力为0.2MPa, 釜内开始抽真空，然后釜内升压至 0.3MPa。该釜壁承受压力如何？ 21 计算压力pc在相应设计温度下，用以确定元件厚度的 压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静 压力小于5%设计压力时，可忽略不计。 即计算压力 设计压力 液柱静压力 5%P时计入) 可见，计算压力设计压力工作压力 容器顶部表压 例：一立式容器，工作压力0.5MPa

10、，液 体深10m， 重度为10,000N/m3。 pw=0.5MPa, p=0.5MPa pc=0.5+(1010,000)/1,000,000=0.6MPa 22 指容器在正常工作情况下，在相应的设 计压力下，设定的元件的金属温度（沿 元件金属截面厚度的温度平均值）。 设计温度是选择材料和确定许用应力时 不可少的参数。 2、设计温度 23 确定设计温度的方法： （1）对类似设备实测；（2）传热计算；（3） 参照书P44表3-2。 例如：不被加热或冷却的器壁，且壁外有保温， 取介质温度；用水蒸气、热水或其它液体加热 或冷却的器壁，取热介质的温度；等等。 24 n t 0 （1）极限应力 极限应

11、力的选取与结构的使 用条件和失效准则有关 0 极限应力可以是 t n t D tt ssb 、)()( 2 . 02 . 0 许用应力是以材料的 各项强度数据为依据 ，合理选择安全系数n n 得出的。 3、许用应力和安全系数 25 常温容 器 中温容 器 高温容 器 =min b b n , s s n 2 . 0 t =min s tt s b t b nn 2 . 0 , t =min D t D n t n s tt s nnn , 2 . 0 高温式中 -设计温度下材料的 蠕变强度和 持 久强度。 -蠕变强度和持久强度的 安全系数。 tt nD 、 Dn n 、n 26 （2）安全系数

12、 安全系数是一个不断发展变化的参数。 随着科技发展，安全系数将逐渐变小。 常温下，碳钢和低 合金钢 6 . 1 0 . 3 sb nn， 钢材的安全系数 27 影响安全系数的因素： 计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精度； 材料质量和制造的技术水平； 容器的工作条件及其在生产中的重要性和危险 性。 28 4.焊接接头系数（ ） 容器上存在有： 纵焊缝A类焊缝 环焊缝B类焊缝 需要进行无损检验。 检验方法主要是： X射线检查和超声波检查。 29 常见的焊接形式： 30 31 32 33 34 35 缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等， 在外观看不出来； 熔池内金属从熔化到凝固的过程受到 熔池外金属

13、的刚性约束，内应力很大。 焊缝区强度比较薄弱。 36 焊接缺陷 37 焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施 焊质量。 焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损 检测的长度比率。 焊接接头系数是焊接削弱而降低设计许用应力的 系数。 为综合考虑筒体强度，设计公式中将钢板 母材的许用应力乘以（1）。 38 焊接接头系数（）： 焊接接头结构100%无损检验 局部无损检验示意图 双面对接焊 1.0 0.85 带垫板单面对 接焊 0.90 0.80 39 1.可否采用搭接焊结构制作压力容器壳 体？为什麽？ 2.焊缝处为什麽要进行无损探伤检查？ 3.焊缝系数（）为什麽小于等于1？ 4.取焊缝系数

14、的依据是什麽？ 5.壁厚计算公式中的t是钢板的许用 应力，还是焊缝材料的许用应力？ 6.带垫板的焊缝结构中，垫板的作用是 什麽？是否起加强作用？ 40 5.壁厚附加量 容器壁厚附加量 （1）钢板或钢管厚度负偏差 C1: 例如， 满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度， 包括钢板负偏差( (或钢管负偏差) ) C1、腐蚀裕量 C2 即 C C1十 C2 41 在设计容器壁厚时要 预先考虑负偏差。 C1 钢板厚度 负偏差 1、钢板负偏差参见P49表3-7选取； 钢管厚度负偏差参见相关文件。 2、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且 不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不 计。 42 （2

15、）腐蚀裕量C2 容器元件由于腐蚀或机械磨损厚度减薄。 在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性！ 具体规定如下： 对有腐蚀或磨损的元件: C2=KaB Ka-腐蚀速率（mm/a），由材料手册或实验确定。 B-容器的设计寿命，通常为1015年。 一般情况, Ka=0.050.13mm/a的轻微腐蚀时， 对单面腐蚀取C2=12mm; 对双面腐蚀取C2=24mm。 对于不锈钢，一般取0。 43 1. 确定腐蚀裕度的依据？ 2.腐蚀裕度的有效期？ 3.列管换热器的管子、壳体腐蚀裕度如何定？ 容器各元件受到的腐蚀程度不同时，设 计中可采用不同的腐蚀裕量。 介质为压缩空气、水蒸气或水的碳钢 或低合金钢容

16、器，单面腐蚀裕量不小于1mm； 对不锈钢容器，腐蚀轻微时可取C2=0。 44 6.直径系列与钢板厚度 要按照钢板厚度尺寸系列标准GB/T709-2001 的规定选取。P50表3-10。 压力容器的直径系列已经施行标准化（GB9019-88) ，筒体与封头的公称直径配套。 45 （三）、容器的壁厚和最小壁厚 实际壁厚不得小于名义壁厚 减去钢板负偏差，可保证强度 要求！ 热加工封头时，加工单位应 预先考虑加工减薄量！ 46 设计压力较低的容器计算厚度很薄。 大型容器刚度不足，不满足运输、安装。 限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。 壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚 度： a.碳素钢和低合金钢制容

17、器不小于3mm b.对高合金钢制容器，不小于2mm min 2、最小厚度 c 碳素钢、低合金钢制塔式容器 min max i D 1000 2 , 4mm； 不锈钢制塔式容器 min maxi D 1000 2 , 3mm. 47 在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象 ，即考察容器的密封性，以确保设备的安 全运行。 目的 1）检验容器宏观强度是否出现裂纹,是否变 形过大； 2）密封点及焊缝的密封情况。 （四）、容器耐压试验及其强度校核 要知道 ！ （1）需要焊后热处理的容器，须热处理后进 行 压力试验和气密试验； （2）须分段交货的容器，在工地组装并对环 焊 缝进行热处理后，进行压力试验； （

18、3）塔器须安装后进行水压试验； 48 液压试验 气压试验 内压容器试验压力 t T pp 25. 1 t T pp 15. 1 1、试验压力 / t大于1.8时，按1.8计算；如果容器各元件(圆筒、封头、 接管、法兰及紧固件等)所用材料不同时，应取各元件材料的比 值中最小者。 容器铭牌上规定有最大允许工作压力时，公式中应以最大允许 工作压力代替设计压力p p设计压力 MPa ; -元件材料在实验温度下的许用应力，MPa; t元件材料在设计温度下的许用应力，MPa。 49 e eiT T Dp 2 )( )(9 . 0 2 )( 2 . 0 s e eiT T Dp 液压试验 气压试验 )(8

19、. 0 2 )( 2 . 0 s e eiT T Dp 2、压力试验的应力校核 圆筒壁在试 验压力下的 计算应力 50 液压试验 气压试验 气密性试验 压力试验的种类 3.压力试验的要求与试验方法 51 液压试验介质：一般为水； 过程： 充水排气 设计压力 无泄漏 开始 试验压力下 保压30分钟 卸压 吹净 结束 试验压力的80% 保压检查 52 注意： 不锈钢容器水中氯离子不得超过25mg/L25mg/L。 试压合格的条件： 1）无渗漏； 2）无可见变形； 3）试验过程中无异常响声； 4）b 540MPa的材料，表面经无损检验 无裂纹。 53 气压试验 不适合液压试验的，如因结构缘故排液或

20、充液困难，或容器内不允许残留微量液体时采用 。 气密试验 针对介质具有毒性程度为极度或具有高度危 害的容器； 在液压试验后进行； 气密试验压力取设计压力。 54 五、 例题 【例1】：某化工厂欲设计一台石油气分离用 乙烯精馏塔。工艺参数为: :塔体内径 ；计算压力 ；工作温度t t-3-3- - 2020。试选择塔体材料并确定塔体厚度。 mmDi600 MPapc2 . 2 由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-3-3-20-20，压力为中压，故 选用16MnR16MnR。 （2 2）确定参 数 mmC0 . 1 2 MPapc2 . 2 mmDi600 MPa t 170 ( (附表9-1)9-

21、1) ； 0.8 ( (采用带垫板的单面焊对接接头, ,局部无损检测)()(表4-8)4-8)； 取 , 解： （1 1）选材 55 )(9 . 4 2 . 28 . 01702 6002 . 2 2 mm p Dp t ic mmC25. 0 1 （3 3）厚度计 算 计算厚度 设计厚度)(9 . 50 . 19 . 4 2 mmC d 根据mm d 9 . 5 , ,查表4-94-9得 名义厚度 圆圆整整量量圆圆整整量量圆圆整整量量 15. 625. 09 . 5 1 C dn 圆整后, ,取名义厚度为 。mm n 7 复验 mmmm n 25. 042. 0%67%6 , ,故最后取 。

22、mmC25. 0 1 该塔体可用7mm7mm厚的16MnR16MnR钢板制作 。 56 （4 4）校核水压试验 强度 )(9 .144 75. 52 )75. 5600(75. 2 MPa T s e eiT T Dp 9 . 0 2 )( 式中， )(75. 22 . 225. 125. 1MPappT )2 . 2; 1/ ,200(MPappt c t )(75. 525. 17mmC ne 则 而 )(4 .2483458 . 09 . 09 . 0MPa s 可见 sT 9 . 0 ，所以水压试验强度足够。 57 例2 设计锅炉汽包的筒体壁厚。工作压力为15.6MPa, 工作温度为3

23、50,其内径为1300mm。 【解】 1.选材：工作温度中温，工作压力为高压，有轻微腐蚀。 故采用低合金钢18MnMoNbR（GB6654-96)。s=410MPa。 2.确定参数 （1）工作压力15.6MPa,是高压容器，属于三类容器。其焊缝结构 必须是双面对接焊结构或其他等强度焊接，100%无损探伤， =1 。 （2） 筒体需保温，则筒壁设计温度取介质温度， 350190MPa （3）需安装安全阀，pc=p=1.115.6=17.16(MPa)。 （4）水蒸气对低合金钢有轻微腐蚀，且为单面腐蚀，C2=1mm。 58 3.计算壁厚 61.5(mm) 130017.16 p Dp S c t ic 16.1711902 2 4.4.设计壁厚： Sd=S+C2=61.5+1.0=62.5